final关键字及final域的内存语义

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final 关键字可以声明成员变量、方法、类以及本地变量。

通过为final域增加写和读重排序规则，可以为Java程序员提供初始化安全保证：只要对象是正确构造的，不需要使用同步（指lock和volatile的使用）就可以保证任意线程都能看到这个final域在构造函数中被初始化之后的值。

一、final 使用

一旦你将引用声明作final，你将不能改变这个引用了，编译器会检查代码，如果你试图将变量再次初始化的话，编译器会报编译错误。

1.1、final 变量

final 可以声明成员变量和本地变量（局部变量）。

1）必须显示初始化

final 修饰变量，必须要显示初始化。这里有两种初始化方式，一种是在变量声明的时候初始化；第二种方法是在声明变量的时候不赋初值，但是要在这个变量所在的类的所有的构造函数中对这个变量赋初值。

在类成员中 final如果和 static一起使用，作为类常量使用，此时必须在声明时初始化赋值。

本地变量（局部变量）也必须在声明时赋值，不属于类变量，无法在构造函数中赋值。

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public class FinalTest {
    /*与static一起使用，做类常量，必须声明时初始化赋值*/
    // private final static String a; //报错
    private final static String a = null;

    /*可以在声明时初始化赋值，也可以在构造函数中赋值*/
    private final String b = "b";
    private final String c;
    public FinalTest(String c) {
        this.c = c;
    }
}

2）基本数据类型和引用类型变量

final 修饰基本数据类型变量，不可变的是变量值，在初始化后不可改变；

final 修饰引用类型变量，不可变的是引用指向的对象地址，引用指向的对象内容是可以变化的。对其初始化之后便不能再让其指向其他对象了，但该引用所指向的对象的内容是可以发生变化的。

1.2、final 方法

final 方法不能被重写。

使用 final 修饰方法的原因：把方法锁定，以防任何继承类修改它的含义，即该方法不能被子类重写。

1.3、final 类

final 类不能被继承。

​ final 类中的变量可以为final，也可以非final。
​ final 类中的方法默认为final，因为不会被覆写。

1.4、final其他特点

  • 接口中声明的所有变量本身是final的。

    接口中定义的成员变量，默认都是public static final的常量（静态字段）。

  • final与abstract是相反的，不会一起出现。

  • final与static：一起使用，可修饰变量、修饰方法，不可被改变重写，通过类名直接访问。

  • 父类中 private final 方法，子类可以重新定义同名方法，这种情况不是重写。

二、final 的重排序规则

对于 final 域，编译器和处理器要遵守两个重排序规则：

  • 在构造函数内对一个 final 域的写入，与随后把这个被构造对象的引用赋值给一个引用变量，这两个操作之间不能重排序。

    原因：编译器会在 final 域的写之后，构造函数 return 之前，插入一个 StoreStore 屏障。

  • 初次读一个包含 final 域的对象的引用，与随后初次读这个 final 域，这两个操作之间不能重排序。

    原因：编译器会在读 final 域操作的前面插入一个 LoadLoad 屏障。

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public class FinalExample {
    int i;                            //普通变量
    final int j;                      //final变量
    static FinalExample obj;

    public FinalExample() {     //构造函数
        i = 1;                        //写普通域
        j = 2;                        //写final域
    }

    public static void writer() {    //写线程A执行
        obj = new FinalExample();
    }

    public static void reader() {       //读线程B执行
        FinalExample object = obj;       //读对象引用
        int a = object.i;                //读普通域
        int b = object.j;                //读final域
    }
}

这里假设一个线程 A 执行 writer () 方法，随后另一个线程 B 执行 reader () 方法。下面我们通过这两个线程的交互来说明这两个规则。

2.1、写 final 域的重排序规则

1）分析

writer () 方法只包含一行代码：FinalExample obj = new FinalExample ()。

这行代码包含两个步骤：构造一个 FinalExample 类型的对象；把这个对象的引用赋值给引用变量 obj。

假设线程 B 读对象引用与读对象的成员域之间没有重排序，下图是一种可能的执行时序：

write_final_reordering

在上图中，写普通域 i 的操作被编译器重排序到了构造函数之外，读线程 B 错误的读取了普通变量 i 初始化之前的值。

而写 final 域的操作，被写 final 域的重排序规则 “限定” 在了构造函数之内，读线程 B 正确的读取了 final 变量初始化之后的值。

2）规则描述

写 final 域的重排序规则如下：

  • JMM （Java 内存模型）禁止编译器把 final 域的写重排序到构造函数之外。

    编译器会在 final 域的写之后，构造函数 return 之前，插入一个 StoreStore 屏障。这个屏障禁止处理器把 final 域的写重排序到构造函数之外。

写 final 域的重排序规则可以确保：在对象引用为任意线程可见之前，对象的 final 域已经被正确初始化过了，而普通域不具有这个保障。以上图为例，在读线程 B “看到” 对象引用 obj 时，很可能 obj 对象还没有构造完成（对普通域 i 的写操作被重排序到构造函数外，此时初始值 2 还没有写入普通域 i）。

2.2、读 final 域的重排序规则

1）分析

初次读对象引用与初次读该对象包含的 final 域，这两个操作之间存在间接依赖关系。由于编译器遵守间接依赖关系，因此编译器不会重排序这两个操作。

大多数处理器也会遵守间接依赖，大多数处理器也不会重排序这两个操作。但有少数处理器允许对存在间接依赖关系的操作做重排序（比如 alpha 处理器），这个规则就是专门用来针对这种处理器。

reader () 方法包含三个操作：

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public static void reader() {       
    FinalExample object = obj;       //初次读引用变量 obj
    int a = object.i;                //初次读引用变量 obj 指向对象的普通域 j
    int b = object.j;                //初次读引用变量 obj 指向对象的 final 域 i
}

假设写线程 A 没有发生任何重排序，同时程序在不遵守间接依赖的处理器上执行，下面是一种可能的执行时序：

read_final_reordering

在上图中，读对象的普通域的操作被处理器重排序到读对象引用之前。读普通域时，该域还没有被写线程 A 写入，这是一个错误的读取操作。

而读 final 域的重排序规则会把读对象 final 域的操作 “限定” 在读对象引用之后，此时该 final 域已经被 A 线程初始化过了，这是一个正确的读取操作。

2）规则描述

读 final 域的重排序规则如下：

  • 在一个线程中，初次读对象引用与初次读该对象包含的 final 域，JMM 禁止处理器重排序这两个操作（注意，这个规则仅仅针对处理器）。

    编译器会在读 final 域操作的前面插入一个 LoadLoad 屏障。

读 final 域的重排序规则可以确保：在读一个对象的 final 域之前，一定会先读包含这个 final 域的对象的引用。在这个示例程序中，如果该引用不为 null，那么引用对象的 final 域一定已经被 A 线程初始化过了。

2.3、如果 final 域是引用类型

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public class FinalReferenceExample {
    final int[] intArray;                 // final 是引用类型
    static FinalReferenceExample obj;

    public FinalReferenceExample() {      // 构造函数
        intArray = new int[1];  // 1.对 final 域的写入
        intArray[0] = 1;        // 2.对这个 final 域引用的对象的成员域的写入
    }

    public static void writerOne() {          // 写线程 A
        obj = new FinalReferenceExample(); // 3.把被构造的对象的引用赋值给某个引用变量
    }

    public static void writerTwo() {          // 写线程 B
        obj.intArray[0] = 2;                  //4. 
    }

    public static void reader() {             // 读线程 C
        if (obj != null) {                    //5. 
            int temp1 = obj.intArray[0];      //6. 
        }
    }
}

1）分析

假设首先线程 A 执行 writerOne () 方法，执行完后线程 B 执行 writerTwo () 方法，执行完后线程 C 执行 reader () 方法。下面是一种可能的线程执行时序：

reference_final_reordering

线程 A ：obj = new FinalReferenceExample()主要包括：

1 是写 final 引用：intArray = new int[1];

2 是写 final 引用对象的成员域：intArray[0] = 1;

3 是把构造对象的引用赋值给引用变量 obj 。

这里除了前面提到的 1 不能和 3 重排序外，2 和 3 也不能重排序。

JMM 可以确保读线程 C 至少能看到写线程 A 在构造函数中对 final 引用对象的成员域的写入。即 C 至少能看到数组下标 0 的值为 1。而写线程 B 对数组元素的写入，读线程 C 可能看的到，也可能看不到。JMM 不保证线程 B 的写入对读线程 C 可见，因为写线程 B 和读线程 C 之间存在数据竞争，此时的执行结果不可预知。

如果想要确保读线程 C 看到写线程 B 对数组元素的写入，写线程 B 和读线程 C 之间需要使用同步原语（lock 或 volatile）来确保内存可见性。

2）描述

  • 在构造函数内对一个 final 引用的对象的成员域的写入，与随后在构造函数外把这个被构造对象的引用赋值给一个引用变量，这两个操作之间不能重排序。

三、为什么 final 引用不能从构造函数内”逸出“

写 final 域的重排序规则可以确保：在引用变量为任意线程可见之前，该引用变量指向的对象的 final 域已经在构造函数中被正确初始化过了。

其实要得到这个效果，还需要一个保证：在构造函数内部，不能让这个被构造对象的引用为其他线程可见，也就是对象引用不能在构造函数中 “逸出”。

为了说明问题，让我们来看下面示例代码：

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public class FinalReferenceEscapeExample {

    final int i;
    static FinalReferenceEscapeExample obj;

    public FinalReferenceEscapeExample() {
        i = 1;                     // 1.写 final 域
        obj = this;                  // 2.这里非正确构造，被构造对象的 this 引用在构造函数中 “逸出”，执行 read () 方法的线程仍然可能无法看到 final 域被初始化后的值
    }

    public static void writer() {
        new FinalReferenceEscapeExample();
    }

    public static void reader() {
        if (obj != null) {                     //3
            int temp = obj.i;                 //4
        }
    }
}

假设一个线程 A 执行 writer () 方法，另一个线程 B 执行 reader () 方法。

这里的操作 2（obj = this ）使得对象还未完成构造前就为线程 B 可见。即使这里的操作 2 是构造函数的最后一步，且即使在程序中操作 2 排在操作 1 后面，执行 read () 方法的线程仍然可能无法看到 final 域被初始化后的值，因为这里的操作 1 和操作 2 之间可能被重排序。

实际的执行时序可能如下图所示：

reference_escape_final_example

从上图可以看出：在构造函数返回前，被构造对象的引用不能为其他线程可见（不能将 final 引用在构造函数内逸出），因为此时的 final 域可能还没有被初始化。在构造函数返回后，任意线程都将保证能看到 final 域正确初始化之后的值。

四、final 语义

通过为 final 域增加写和读重排序规则，可以为 java 程序员提供初始化安全保证：

只要对象是正确构造的（被构造对象的引用在构造函数中没有 “逸出”），那么不需要使用同步（指 lock 和 volatile 的使用），就可以保证任意线程都能看到这个 final 域在构造函数中被初始化之后的值。

final 关键字的可见性是指：：被 final 修饰的字段在构造器中一旦初始化完成，并且构造器没有把 “this” 的引用传递出去（ this 引用逃逸是一件很危险的事情，其他线程有可能通过这个引用访问到“初始化了一半”的对象），那在其他线程中就能看见 final 字段的值。

《Java并发编程的艺术》